構建虛擬實驗室促進高職實驗教學創(chuàng)新

摘要： 虛擬現(xiàn)實技術應用于教育，既是虛擬現(xiàn)實自身發(fā)展的要求，也是教育發(fā)展的需要。文章介紹了虛擬現(xiàn)實技術及其特點和分類，闡述了利用虛擬現(xiàn)實技術開展虛擬實驗的意義，著重探討了虛擬現(xiàn)實技術在高職實驗教學中的應用優(yōu)勢以及構建虛擬實驗室所用到的關鍵技術，并對虛擬實驗教學中存在的問題作了探討。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；高職教育；虛擬實驗室；實驗教學；創(chuàng)新

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2406-03

高職教育[1]肩負著培養(yǎng)具有組織、管理高新技術的生產(chǎn)，能夠操作、調(diào)試和維護高新技術設備，解決生產(chǎn)過程中遇到的各種實際問題的高素質(zhì)技能型人才的使命，提高學生職業(yè)素質(zhì)和專業(yè)能力是高職教育與普通高等教育的本質(zhì)區(qū)別。高職教育特別強調(diào)培養(yǎng)學生的動手能力和實踐能力，這就需要教學內(nèi)容情景化、實時化，只有通過親身經(jīng)歷才能加深對知識的理解和鞏固所學的知識，而目前的教學手段很難滿足實驗教學的實際需要，利用虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬實驗室，為實驗教學提供有效支撐，必將促進高職實驗教學的發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實技術介紹

國內(nèi)虛擬現(xiàn)實的研究者對Virtual Reality的翻譯存在著幾種不同的觀點，綜合考慮虛擬現(xiàn)實各種定義中的要素，可以得到一個關于虛擬現(xiàn)實比較貼切的定義。

虛擬現(xiàn)實技術[2]VR是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過多種傳感設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的新技術。

在很多學者的共同努力下，概括出了虛擬現(xiàn)實技術的3個基本特征[3]：

1）沉浸性：可以調(diào)動學習者全部的感覺器官，全身心地投入到仿真的虛擬環(huán)境中。

2）交互性：學習者與虛擬環(huán)境的交互超越傳統(tǒng)意義的交互，從二維到三維，從單通道到多通道，引起了交互技術的革命。

3）構想性：是指學習者沉浸在“真實的”的虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進行了各種交互作用，從而獲得感性和理性的認識。

根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸程度的不同，結合國內(nèi)外學者對虛擬現(xiàn)實領域的研究成果和在教育領域應用的實際情況，可以把虛擬現(xiàn)實技術劃分為四類[4]：桌面型VR系統(tǒng)、沉浸型VR系統(tǒng)、增強現(xiàn)實型VR系統(tǒng)和分布式VR系統(tǒng)。其中桌面型VR系統(tǒng)技術較簡單，需要投入的成本也不高，在教育領域內(nèi)可應用的范圍很廣，推廣價值高。

2 虛擬仿真技術應用在高職實驗教學中的意義和優(yōu)勢

由虛擬現(xiàn)實技術構建的虛擬實驗室是集視覺、聽覺、觸覺等多種感覺信息于一體的系統(tǒng)環(huán)境，學習者能以多維的方式與虛擬環(huán)境進行全方位的交互作用，因此學習者能夠全身心地沉浸到虛擬環(huán)境中感受事件的發(fā)展變化過程，這是參與者以最直觀、最有效的方式掌握新知識、新技能的最有效的途徑。利用虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬實驗室，既可以豐富教師的實驗教學手段，又可以加強學生實驗技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。相對于傳統(tǒng)實驗，虛擬實驗具有其獨特的優(yōu)勢[5-6]。

2.1 創(chuàng)設真實情景，實現(xiàn)形象化教學

由虛擬現(xiàn)實技術構建的虛擬實驗室，運用計算機圖形、聲音和圖像創(chuàng)造逼真的實驗環(huán)境，學習者由觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者，通過視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的“真實”感受，完全沉浸于其中而無法將其與真實世界區(qū)分開來，給人們很好的臨場感和逼真感。例如學習歷史知識，學生們被帶到一個虛擬的考古環(huán)境中，逼真的場景，甚至聽到挖土的鐵鍬聲，使學生完全進入角色；在組網(wǎng)實驗中可以不必搭建真正的網(wǎng)絡，通過虛擬的實驗儀器來完成實驗；通過虛擬的商務交易環(huán)境，學生可以親身體驗到現(xiàn)場交易的氣氛和參與交易的過程；虛擬實驗室還可以虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學生、醫(yī)生等各種人物形象，創(chuàng)設一個人性化的、逼真的學習環(huán)境，徹底打破時間和空間的限制。

2.2 激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，提供自主探索的平臺

虛擬現(xiàn)實的教學形式能使學生通過多種感官的刺激，通過觀察、聯(lián)想、探索來達到主動學習的效果，傳統(tǒng)的實驗教學不允許學生違規(guī)操作，否則會有安全問題，而在虛擬實驗室里，學生可以大膽地進行各種嘗試，例如可以反接電流表，進而根據(jù)呈現(xiàn)的結果去探索、發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)，這樣有利于激發(fā)學生的學習興趣，豐富了學生的想象力，拓展了思維空間，為創(chuàng)新思維的培養(yǎng)打下了良好的基礎。

2.3 可以進行高危險的實驗，彌補教學條件的不足

利用虛擬現(xiàn)實技術，可以揭示事物的現(xiàn)象和本質(zhì)、事物運動的形式和規(guī)律、事物間的聯(lián)系和相互作用，避免開展真實的高危險實驗帶來的各種安全問題，充分發(fā)揮學生的各種感官作用，從而豐富感性認識，加深對教學內(nèi)容的理解。例如易爆炸的化學實驗、風險性的外科手術、飛機駕駛等教學項目，都可以利用虛擬實驗室而得以開展。時間方面，虛擬現(xiàn)實技術可以將一些需要長時間的變化過程壓縮到可接受的時間里呈現(xiàn)給學生，也可以反過來將時間延長，以利于學生觀察學習，而且，虛擬實驗的教學資源是數(shù)字化資源，方便擴充和共享，教學資源虛擬化可以解決教學資源短缺、設備陳舊及更新緩慢等日益突出的問題，同時也是新技術下解決教育均衡發(fā)展的有效方式。

2.4 跟蹤實驗過程，進行智能診斷

虛擬實驗是在軟件系統(tǒng)的控制下完成的，系統(tǒng)可以記錄每個學生的每一個操作步驟，并將其保存，如果在系統(tǒng)中加入診斷功能，就能對整個實驗過程進行再現(xiàn)、和判斷，以便于作出合理的評價以及找出操作中存在的問題 。

3 虛擬實驗室構建的實現(xiàn)技術

虛擬實驗室的構建[7]必須建立在模型的設計與交互功能的基礎上，可以歸納為計算機三維模型創(chuàng)建于三維模型交互開發(fā)的一個過程，因此構建虛擬實驗室過程中所用到的主要關鍵技術包括三維建模技術和虛擬交互技術。

3.1 三維建模技術

虛擬現(xiàn)實中模型的建立是整個虛擬實驗室構建的基礎，好的模型不僅能表現(xiàn)出三維效果，還能帶來強烈的視覺和感官沖擊力，因此三維建模技術是虛擬實驗室構建成敗的關鍵技術之一。三維實體是對現(xiàn)實世界中的物體進行仿真，所以必須是客觀存在的，不能進行不存在的虛擬，其次還要注意模型的精確性，否則會導致實驗結果的偏差。用于虛擬實驗室建模的工具軟件根據(jù)系統(tǒng)需求可以有多種選擇，其中比較典型的有3Dmax、Maya、Open GVS等。

3.2 虛擬交互技術

近乎自然的交互方式是虛擬實驗室的另一個顯著特征，使用者從鍵盤、鼠標等傳統(tǒng)意義上的交互，發(fā)展成為通過一些特殊傳感器設備例如數(shù)據(jù)手套、特殊頭盔等進行交互。因此交互技術也是直接影響虛擬實驗室構建成功與否的另一個關鍵技術，我們主要利用開發(fā)軟件的特性來完成系統(tǒng)的交互效果，目前主流的技術主要有X3D、Viewpoint、Cult3D和Virtools等。

4 虛擬實驗教學存在的問題

4.1 虛擬實驗中學生的自主性太大容易偏離教學目標

虛擬實驗教學有利于學生主動探索、主動發(fā)現(xiàn)，有利于創(chuàng)造型人才的培養(yǎng)，這是其突出的優(yōu)點。但是這種教學模式過于強調(diào)學生的自主性，往往忽視教師主導作用的發(fā)揮，當學生自主學習的自由度過大時，容易偏離教學目標的要求，這又是其不足之處。

4.2 虛擬實驗教學環(huán)境容易造成情感教育的缺失[8]

虛擬實驗教學環(huán)境，用單調(diào)乏味的虛擬教學代替了原本多姿多彩的課堂教學，那些富有人性化教學特色的實驗教學活動，變成了機械的、冰冷的虛擬教學活動，使本來很直接的師生關系變得復雜，師生之間隔著冷冰冰的計算機或網(wǎng)絡終端，削弱了直接交流的情感教育。而且虛擬實驗容易使學生失去真實的生活，缺少現(xiàn)實感和判斷力，虛擬實驗容許出錯和反復練習，雖然能夠提高技能，但也有輕視、麻木的隱患，容易在現(xiàn)實中隨性所欲、釀成大錯。虛擬實驗室能夠引起學生學習的興趣，提高實驗教學效果，但它無法代替教育領域內(nèi)人的全部活動，因此虛擬現(xiàn)實技術應用與教學時，不能忽視對學生的情感教育。

5 結束語

隨著三維建模技術、交互技術等虛擬仿真技術的發(fā)展，使得虛擬現(xiàn)實技術在高職實驗教學中具有廣闊的應用前景。虛擬實驗室作為傳統(tǒng)實踐教學手段的有益的、必要的補充，將大大改善教學環(huán)境、提高教學效率。雖然虛擬現(xiàn)實技術還處于探索前進與不斷完善階段，實際應用中，還存在很多需要解決的理論與技術上的問題。但從虛擬現(xiàn)實技術本身的特點、優(yōu)勢，我們堅信它將對未來的教育產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻：

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